新型履帶行走液壓支架的開發(fā)與動(dòng)力學(xué)分析

趙海斌

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

液壓支架為綜采工作面重要的支護(hù)設(shè)備。目前，工作面所應(yīng)用的液壓支架主要為步進(jìn)式液壓支架，該型液壓支架實(shí)際是在原有液壓支架基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造所得的產(chǎn)品，并沒(méi)有從根本上解決頂板支撐易碎的問(wèn)題。超前液壓支架為比步進(jìn)式液壓支架更進(jìn)一步且技術(shù)更先進(jìn)的液壓支架，但是該型液壓支架在前行時(shí)由于頂梁和頂板之間的滑動(dòng)摩擦同樣會(huì)影響設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。因此，為有效解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)履帶液壓支架，其采用滾筒移架的方式完成液壓支架的前行，減小頂梁和頂板之間的摩擦。

1 履帶液壓支架的總體參數(shù)確定

1.1 工作面超前支護(hù)現(xiàn)狀分析

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求順槽工作面超前支護(hù)的距離不小于20 m。傳統(tǒng)工作面主要以單體液壓支柱實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)，但是其在實(shí)際應(yīng)用中存在支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)速度慢以及勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。雖然超前液壓支護(hù)在某種程度上解決了單體液壓支護(hù)所面臨的問(wèn)題，但是其并未從根本上解決頂板破碎嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，本文將根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際生產(chǎn)工況完成履帶液壓支架的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行仿真評(píng)估驗(yàn)證[2]。

理論上影響綜采工作面超前支護(hù)性能的主要因素包括有礦壓和移架方式。其中礦壓直接決定配套液壓之際的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度；而移架方式直接影響頂梁對(duì)頂板的摩擦系數(shù)，從而決定對(duì)頂板的破壞程度。

單體液壓支柱為我國(guó)最早應(yīng)用的超前支護(hù)設(shè)備，該設(shè)備主要通過(guò)人工進(jìn)行移架，在實(shí)際工況中主要表現(xiàn)為支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效率低以及開采成本高的不足。

對(duì)于超前支護(hù)液壓支架，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同可分為自移式超前支護(hù)液壓支架、跨騎式超前支護(hù)液壓支架、大采高四連桿式超前支護(hù)液壓支架和履帶行走式液壓支架。總的來(lái)講，超前支護(hù)液壓支架仍然存在頂梁和頂板滑動(dòng)摩擦的問(wèn)題[3]。因此，本文將設(shè)計(jì)一款新型履帶行走式超前支護(hù)液壓支架。

1.2 新型履帶行走式超前支護(hù)液壓支架總體參數(shù)確定

結(jié)合履帶行走式液壓支架在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題，將頂梁與頂板之間的滑動(dòng)摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦，即將頂梁也采用履帶式結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型履帶行走式超前液壓支架整體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，新型履帶行走式超前液壓支架主要包括有頂梁履帶、上下驅(qū)動(dòng)輪、液壓立柱、四連桿機(jī)構(gòu)以及上下導(dǎo)向輪等。結(jié)合超前液壓支架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)和綜采工況，對(duì)應(yīng)新型履帶行走式超前液壓支架的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 新型履帶行走式超前液壓支架的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 新型履帶行走式液壓支架行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

新型履帶行走式液壓支架與傳統(tǒng)普通超前支護(hù)液壓支架的本質(zhì)區(qū)別在于頂梁與頂板的滑動(dòng)摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦。因此，本文重點(diǎn)對(duì)頂梁履帶頂梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。為保證所設(shè)計(jì)新型履帶行走式液壓支架在實(shí)際應(yīng)用的效果，對(duì)應(yīng)履帶頂梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足如下要求：

1）所新增的履帶頂梁機(jī)構(gòu)不能影響液壓支架立柱和四連桿功能的發(fā)揮。

2）新增的履帶頂梁機(jī)構(gòu)在實(shí)際移機(jī)過(guò)程中的阻力應(yīng)較小且不影響液壓支架的正常支護(hù)功能的發(fā)揮。

3）履帶頂梁機(jī)構(gòu)應(yīng)具備一定的轉(zhuǎn)向功能，以適應(yīng)彎曲工作面的生產(chǎn)要求。

2.1 履帶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶板為直接與工作面頂板接觸的部件，其作為載荷傳動(dòng)的部件，而且在移架過(guò)程中還需承受一定的滾筒摩擦。因此，對(duì)履帶板硬度的要求較高，故采用合金鋼對(duì)履帶板進(jìn)行鑄造。履帶板可以分為整體式和組合式兩種形式。由于整體式履帶板的制造成本較高且加工精度較大，本方案采用組合式履帶板結(jié)構(gòu)。為保證履帶板具有足夠的牽引力，需在履帶板結(jié)構(gòu)上配置一定高度的履刺。為保護(hù)工作面頂板的完整性，頂梁履帶板上履刺的高度設(shè)計(jì)為20 mm。

2.2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

履帶頂梁機(jī)構(gòu)需要足夠且穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力才能夠達(dá)到高效、安全、快速移架功能。針對(duì)頂梁履帶機(jī)構(gòu)可采用的驅(qū)動(dòng)方式包括有曲柄滑塊、曲柄滑塊加鏈傳動(dòng)、搖桿滑塊、液壓缸直線等驅(qū)動(dòng)方案。其中，曲柄滑塊和曲柄滑塊加鏈傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式由液壓缸直接向驅(qū)動(dòng)輪提供驅(qū)動(dòng)力；搖桿滑塊驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)液壓缸將驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)至擺桿，由擺桿向驅(qū)動(dòng)輪提供驅(qū)動(dòng)力；液壓缸直線驅(qū)動(dòng)方式由液壓缸直接將驅(qū)動(dòng)力提供給履帶實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)所配套的兩組液壓缸能夠保證履帶的驅(qū)動(dòng)力連續(xù)[5]。

綜合從空間限制因素、復(fù)雜程度、傳動(dòng)效率對(duì)比上述四種驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)劣勢(shì)，得出頂梁履帶機(jī)構(gòu)采用液壓缸直線方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，該驅(qū)動(dòng)方式具有較高的驅(qū)動(dòng)效率，且其不受空間的限制，復(fù)雜程度也一般。

3 頂梁履帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

頂梁履帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能直接決定履帶行走式液壓支架在實(shí)際應(yīng)用中的移架效率和可靠性。本節(jié)基于ADAMS 仿真軟件對(duì)頂梁履帶結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。頂梁履帶結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表2 所示。

根據(jù)表2 中的參數(shù)完成模型的搭建，并完成約束副添加、接觸定義，對(duì)兩組液壓缸施加驅(qū)動(dòng)后對(duì)履帶架的行走速度進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

表2 頂梁履帶機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

圖2 履帶架行走速度仿真結(jié)果

如圖2 所示，由于頂梁履帶機(jī)構(gòu)是依靠?jī)山M液壓缸交替完成驅(qū)動(dòng)任務(wù)，在6.26 s 后由于第一組液壓缸向第二組液壓缸的轉(zhuǎn)移，履帶架行走速度出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，但是波動(dòng)時(shí)間僅持續(xù)在6.26～6.295 s 之間。但是，除此更替階段以外，履帶架的行走速度均處于相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保持在138.89 mm/s 左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型履帶行走式液壓支架的關(guān)鍵改進(jìn)點(diǎn)在于其頂梁與頂板之間的摩擦從滑動(dòng)摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析可知，基于液壓缸直線驅(qū)動(dòng)方式可保證頂梁履帶機(jī)構(gòu)保持在相對(duì)恒定的速度穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效、快速的移架功能。